传感器技术及应用(辅导资料)

1、四川大学继续教育学院辅导资料传感器技术及应用复习资料思考题与习题第3章 应变传感器31 电阻应变式传感器311 应变片的结构和类型312 常用的应变片32 薄膜应变电阻及传感器321 薄膜分类322 薄膜的工作原理323 薄膜应变传感器的特点33 电阻应变传感器使用中应注意的一些问题思考题与习题第4章 磁敏传感器41 磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应411 基础知识412 霍尔效应413 磁阻效应414 形状效应42 霍尔元件421 霍尔元件的工作原理422 霍尔元件的结构423 基本电路424 电磁特性425 误差分析及误差补偿43 磁阻元件431 长方形磁阻元件432 科尔宾元件4

2、33 平面电极元件434 InSbNiSb共晶磁阻元件435 曲折形磁阻元件436 磁阻元件的温度补偿44 磁敏二极管441 磁敏二极管的结构442 磁敏二极管的工作原理443 磁敏二极管的特性444 磁敏二极管的补偿技术45 磁敏三极管451 磁敏三极管的结构452 磁敏三极管的工作原理453 磁敏三极管的特性454 温度补偿技术46 磁敏传感器的应用461 霍尔元件的应用462 磁阻元件的应用思考题与习题第5章 压电传感器51 压电效应511 石英晶体的压电效应512 压电常数51 _3压电陶瓷的压电效应52 压电材料521 压电晶体522 压电陶瓷523 新型压电材料53 等效电路与测量

3、电路531 等效电路532 测量电路54 压电传感器及其应用541 压电传感器中压电片的连接542 压电式力传感器543 压电式压力传感器544 压电式加速度传感器545 应用实例思考题与习题第6章 光纤传感器61 基础知识611 光纤的结构612 光纤的种类613 光纤的传光原理614 光纤的特性615 光纤的耦合62 光纤传感器的分类及构成621 分类622 构成部件63 功能型光纤传感器举例631 相位调制型光纤传感器632 光强调制型光纤传感器633 偏振态调制型光纤传感器64 非功能型光纤传感器举例641 传输光强调制型光纤传感器642 反射光强调制型光纤传感器643 频率调制型光纤

4、传感器644 光纤液位传感器思考题与习题第7章 光栅传感器71 光栅基础711 光栅的分类及结构712 莫尔条纹的原理713 莫尔条纹的特点72 光栅传感器的工作原理721 光电转换原理722 莫尔条纹测量位移的原理723 辨向原理73 莫尔条纹细分技术731 细分方法732 光电元件直接细分733 CCD直接细分734 光栅传感器的误差74 常用光学系统741 透射直读式光路742 反射直读式光路743 反射积分式光路思考题与习题第8章 光电传感器81 光电传感器的基本效应811 生导体的粒子特性812 光电效应82 外光电效应光电元件821 光电管822 光电倍增管83 光电导效应及光电元

5、件831 光敏电阻的结构及原理832 光敏电阻的特性84 光电伏特效应及光电元件841 光电导结型光电元件842 光电伏特型光电元件85 CCD图像传感器86 应用光路861 反射式862 透射式863 线纹瞄准用光电传感器864 脉冲式光电传感器思考题与习题第9章 气、湿敏传感器91 气敏传感器911 半导体气敏元件的分类及必备条件912 表面控制型电阻式半导体气敏元件第10章 智能传感器第11章 传感器应用技术第12章 传感器的选择与使用第1章 传感器的特性传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其

6、他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域，如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。1.1 传感器的组成与分类传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含以下几个方面的含义：1.传感器是测量装置，能完成检测任务2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等3.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等

7、，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。一、 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。其在传感电路中的表现如图1.1所示。图1.1 传感电路敏感元件（Sensitive element）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件（Transduction element）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路（Transduction circuit）：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接

8、输出电量。如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。二、 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和"0”或“开”和“关”）的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。关于传感器的分类：1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等;2.按

9、照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等;3.按照传感器转换能量的方式分：（1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等;（2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等;4.按照传感器工作机理分：（1）结构型：如：电感式、电容式传感器等;（2）物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等;5.按照传感器输出信号的形式分：（1）模拟式：传感器输出为模拟电压量;（2）数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。传感器的分类经整理如表1.1.表1.1 传感器分类表传感器分类转换

10、原理传感器名称典型应用转换形式中间参量电参数电阻移动电位器角点改变电阻电位器传感器位移改变电阻丝或片的尺寸电阻丝应变传感器、半导体应变传感器微应变、力、负荷利用电阻的温度效应（电阻的温度系数）热丝传感器气流速度、液体、流量电阻温度传感器温度、辐射热热敏电阻传感器温度利用电阻的光敏效应光敏电阻传感器光强利用电阻的湿度效应湿敏电阻湿度电容改变电容的几何尺寸电容传感器力、压力、负荷、位移改变电容的介电常数液位、厚度、含水量电感改变磁路几何尺寸、导磁体位置电感传感器位移涡流去磁效应涡流传感器液位、厚度、含水量利用压磁效应压磁传感器力、压力改变互感差动变压器位移自速角机位移旋转变压器位移频率改变谐振回路

11、中的固有参数振弦式传感器压力、力振筒式传感器气压石英谐振传感器力、温度等计数利用莫尔条纹光栅大角位移、大直线位移改变互感感应同步器利用拾磁信号磁栅数字利用数字编码角度编码器大角位移电能量电动势温差电动势热电偶温度热流霍尔效应霍乐传感器磁通、电流电磁感应磁电传感器速度、加速度光电效应光电池光强电荷辐射电离电离室离子计数、放射性强度压电效应压电传感器1.2传感器的基本特性传感器特性分为静态特性和动态特性。（一）传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量

12、的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、漂移、测量范围、精度、稳定性和阈值。（1）传感器线性度。通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。（2）传感器的灵敏度。灵敏度是指传感

13、器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。（3）迟滞。传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间，其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。对于同一大小的输入信号，传

14、感器的正反输出信号不相等，这个差值称为迟滞差值。（4）传感器的重复性。重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得线性曲线不一致的程度。（5）漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）（6）传感器的分辨力。分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感

15、器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。（二）传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密

16、切相关，在研究传感器动态特性时，通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。这两种信号在物理上较容易实现，而且也便于求解。对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，它是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。这对传感器来说是一种最严峻的状态，如传感器能复现这种信号，那么就能很容易地复现其他种类的输入信号，其动态性能指标也必定会令人满意。而对于正弦输入信号，则称为频率响应或稳态响应。它是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。稳态响应的重要性，在于工程上所遇到的各种

17、非电信号的变化曲线都可以展开成傅里叶(Fourier)级数或进行傅里叶变换，即可以用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。因此，当已知道传感器对正弦信号的响应特性后，也就可以判断它对各种复杂变化曲线的响应了。为便于分析传感器的动态特性，必须建立动态数学模型。建立动态数学模型的方法有多种，如微分方程、传递函数、频率响应函数、差分方程、状态方程、脉冲响应函数等。建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。在忽略了一些影响不大的非线性和随机变化的复杂因素后，可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器，虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶环节的传感器(高阶可以分解成若干个低阶环节)，因此一阶和二阶传感器是最基本的。知识梳理了解传感器的定义以及传感器的组成及分类，以及传感器的两种基本特性，静态特性和动态特性。重点知识：了解传感器的组成及分类难点知识：了解传感器的两种基本特性。课后习题1、 传感器由什么组成？2、 传感器的线性指标有哪些？第2章 热电传感器21 热电势式测温传感器21 热电势式测温传感器21